瀝青混凝土面板堆石壩強震變形模式和極限抗震能力分析

鄒德高，彭 俊，李俊超，陳 濤，劉京茂，王建全，陳 楷

（1.大連理工大學 海岸和近海工程國家重點實驗室，遼寧省大連市 116024；2.大連理工大學水利工程學院，遼寧省大連市 116024；3.浙江大學 軟弱土與環境土工教育部重點實驗室，浙江省杭州市 310058；4.四川華能瀘定水電有限公司，四川省成都市 610072；5.中電建鐵路建設投資集團有限公司，戰略與投資管理部，北京市 100070）

0 引言

抽水蓄能是當前技術最成熟、經濟性最優、最具大規模開發條件的電力系統綠色低碳的靈活調節電源[1]。為此，我國近年大力推進抽水蓄能電站建設。資料統計表明，截至2021年底，國內處于運行狀態的抽水蓄能電站有40座，且有48座電站正在施工建設，擬規劃有數十座[2]。其中，瀝青混凝土面板堆石壩具有防滲性能好、耐寒、地形適應強等優勢，成為建設中的優選壩型（表1列舉了部分瀝青混凝土面板堆石壩建設情況）。

表1 我國部分瀝青混凝土面板堆石壩工程Table 1 Part of asphalt concrete face rockfill dam project in China

續表

隨水電開發戰略持續深入，強震區建抽水蓄能電站已難以避讓，資料統計表明，在建及規劃工程中，約50%以上位于強震區。電站建成后將長期服役，期間遭遇極端地震威脅的可能性大[3]、[4]。目前對瀝青混凝土面板堆石壩強震變形模式和極限抗震能力的相關研究較少，嚴重滯后于抽水蓄能電站工程實踐。因此，開展此類工程強震下變形模式及安全評價研究具有重要的工程應用意義。

土石壩極限抗震能力是評估土石壩抗震安全性的重要內容。然而目前國內尚無規范明確規定土石壩極限抗震能力的評價標準，已有的關于土石壩地震破壞評價要素及其指標的研究成果尚不統一[5-8]，且存在不同要素指標得到的安全裕度不協調的問題。作者等人基于系統的高土石壩地震彈塑性整體變形和壩坡局部滑移量數值分析、全面的工程實測資料調研對比研究[9-12]，提出了確定高土石壩極限抗震能力評價標準的4項原則[13]：嚴格依據實測土石壩震陷率和震害程度映射關系；保證極端地震時不潰壩；震陷率是關鍵控制指標；確保震陷率、壩坡滑移量等評價要素的協調性。據此建議了地震條件下高面板壩和心墻壩的極限抗震能力的評價量化指標：①震陷率，面板壩為1.1%、心墻壩為1.3%；②面板壩壩坡滑移量指標為1.2m（滑弧穿過壩頂中點）、心墻壩壩坡滑移量指標為1.4m（滑弧穿過過渡與心墻之間區域）；③建議止水的極限抗震能力指標需要根據止水材料的性能、失效位置、面積以及面板損傷開裂等因素結合滲流穩定綜合考慮。該標準已應用于RM心墻堆石壩（315m，在建世界最高）、兩河口心墻堆石壩（295m，已建國內最高）、拉哇面板堆石壩（245m）等重大土石壩工程抗震安全評價。

本文依托某瀝青混凝土面板堆石壩，采用動力彈塑性整體變形分析、局部滑移量分析方法[14-17]，闡明了強震下壩體頂部變形的漸進發展規律；并基于作者等人提出的評價準則和指標，探討了瀝青混凝土面板堆石壩的極限抗震能力。

1 工程概況

某抽水蓄能電站樞紐建筑物主要由上水庫、水道系統、地下廠房系統和下水庫組成。工程等別為一等，規模屬大（1）型。工程場地的地震基本烈度為Ⅷ度，基巖超越概率P100=2%、P100=1%的水平向加速度峰值分別為0.45g和0.54g。

上水庫大壩采用瀝青混凝土面板堆石壩設計方案，正常蓄水位為1638.0m，死水位為1609.0m，最大壩高45.0m；大壩上下游坡比為1：1.75和1：1.70，筑壩材料主要分為墊層區、過渡區和堆石區；全庫盆采用瀝青混凝土面板作為防滲系統，面板厚度均為20.2cm，壩體典型斷面如圖1所示。

圖1 某瀝青混凝土面板堆石壩典型斷面Figure 1 Typical section of an asphalt concrete face rockfill dam

2 分析模型與計算參數

2.1 有限元分析模型

根據壩體典型斷面信息建立數值分析模型，為合理考慮無限地基與土石壩動力相互作用，巖性地基上下游水平向截取長度和豎向截取深度根據孔憲京等[18]給出的建議值選取（本次計算取為1.2H）。有限元網格模型的單元數3025，節點數3112。瀝青混凝土面板與堆石體單元主要以四節點等參單元為主，兩者之間設置了接觸面單元[19]。圖2為有限元分析模型。

圖2 有限元分析模型Figure 2 Finite element analysis model

2.2 本構模型及參數

基于非線性彈性理論的等效線性模型聯合應變勢方法被廣泛用于土石壩動力響應和地震永久變形分析，相關研究表明該方法能較好地反映中、低強度地震下土石壩弱非線性動力響應特性[20]。在大壩極限抗震能力分析中，隨著地震強度增大，大壩將逐步進入強非線性狀態，等效線性分析方法很難反映實際情況。為更真實地反映強震時大壩的強非線性特性，本次計算中堆石體、瀝青混凝土面板均采用鄒德高等人[14][21]發展的理論更嚴密的靜動統一廣義塑性模型，計算參數通過筑壩材料三軸試驗成果標定獲得，列于表2中。此外，面板與墊層間接觸面采用劉京茂等[22]提出的廣義塑性接觸面模型，參數見表3。

表2 筑壩料廣義塑性模型參數Table 2 Generalized plastic model parameters of dam materials

表3 面板與墊層接觸面廣義塑性模型參數Table 3 Parameters of generalized plastic interface model

2.3 地震動輸入

由于該工程場地的地震基本烈度為Ⅷ度，永久性主要建筑物為1級建筑物，且壩址位于近場源地震區。根據《水工建筑物抗震設計標準》（GB 51247—2018）第5.1.2節規定[23]，豎向加速度峰值與水平向取值相同。本文采用地震波動輸入方法[18，24-27]，以更合理地反映地震過程中大壩-無限地基的相互作用。

圖3為根據設定場地相關譜合成的地震動時程曲線。為了研究大壩的極限抗震能力，地震水平峰值加速度包括0.45g（設計地震）、0.54g（校核地震）、0.60g、0.70g、0.80g、0.90g。

圖3 設計地震加速度時程曲線Figure 3 The acceleration history curves of design ground motion

3 有限元數值分析

本文計算采用作者等人自主研發的大型巖土工程有限元高性能分析軟件系統GEODYNA7.0[28]。下面將根據不同強度地震下大壩的動力響應規律，從三個方面探討大壩的強震變形模式和極限抗震能力。

3.1 地震變形模式

圖4給出了加速度峰值為0.90g時壩體及防滲體震后變形模式示意圖。強震條件下瀝青混凝土面板堆石壩變形模式表現為：①壩頂發生豎向沉降且量值最大；②壩頂水平向偏下游變形；③壩體上部輪廓整體向內收縮；④下游壩腳發生輕微鼓脹；⑤瀝青混凝土面板與上游壩坡變形整體協調，頂部面板與堆石間沿順坡向出現了較小錯動，量值為5.6cm。本文分析成果與土石壩實際震害[3][4]、振動臺模型試驗[29]定性規律基本一致。

圖4 上水庫地震后變形模式示意圖（變形放大10倍）Figure 4 Post-earthquake deformation pattern of the upper reservoir （ ten-fold magnification ）

3.2 壩頂震陷率

圖5給出了加速度峰值為0.90g時壩體震后變形分布規律，最大震陷變形出現在壩頂偏下游側附近的堆石體，最大值為51.0cm，相應的震陷率為1.13%。表4統計了不同加速度峰值條件下大壩頂部堆石體的震陷極值，圖6給出了不同加速度峰值與震陷率的增長關系曲線，可以看出：隨加速度峰值逐漸增加，壩頂堆石體震陷變形亦逐步增大，但增加的程度呈逐級減小的趨勢，這主要由于地震等外界荷載作用過程中，壩體內部堆石料間的孔隙收縮、顆粒破損滑移等引起的壩體變形將逐步趨于穩定，相關研究成果亦給出了類似的觀點[20]。

圖5 壩體震陷分布規律（加速度峰值為0.90g）Figure 5 Distribution of dam earthquake subsidence（ peak acceleration is 0.90g ）

圖6 壩頂震陷量與地震加速度峰值的關系Figure 6 Relationship between dam earthquake subsidence and seismic acceleration peak

壩頂震陷是誘發大壩出現庫水漫頂、壩頂開裂等破壞的主要原因，壩頂震陷率是評估高土石壩極限抗震能力的關鍵指標，鄒德高等人[13]建議面板堆石壩的震陷率應控制在1.1%以內。鑒于瀝青混凝土面板堆石壩的規模、庫容等一般不大，其潰壩風險及潰壩后的影響等相對于高面板堆石壩較小；且瀝青混凝土面板的地形適應性及柔韌性較好。因此，文獻[13]建議的評判標準用于確定瀝青混凝土面板堆石壩的極限抗震能力是合適的。本文基于該標準，依據表4給出的計算成果，確定出該瀝青混凝土面板堆石壩的極限抗震能力為0.80g～0.90g。

表4 不同加速度峰值下壩頂震陷率統計Table 4 Statistics of dam earthquake subsidence rate under different acceleration peaks

3.3 壩坡累計滑移量

考慮阻滑鋼筋加固，采用滑移變形分析方法[17]，開展了地震作用下壩坡穩定分析。本次分析的壩坡穩定計算結果列于表5，可以看出：當加速度峰值為0.90g時，壩坡累計滑移量為13.11cm，遠小于面板堆石壩極限滑移量建議值1.2m[13]，故壩坡出現失穩滑動破壞的可能性很小。

表5 壩坡最小安全系數及累計滑移量Table 5 Minimum safety factor and cumulative slip of dam slope

3.4 瀝青混凝土面板拉應變

相較于鋼筋混凝土面板，瀝青混凝土面板具有更好的柔韌性，大壩運行過程中瀝青混凝土面板的受力性態相對較好。本文以瀝青混凝土面板的拉伸應變作為評判防滲系統整體安全性態的主要指標。表6給出了不同地震強度時地震后面板順坡向拉應變極值，可以看出：當輸入加速度峰值為0.90g時，瀝青面板的最大拉應變為0.79%，小于材料的極限抗拉應變（該工程采用的瀝青混凝土極限抗拉應變值為2.41%），可以認為防滲面板出現滲漏破壞的風險很低。

表6 地震后面板應變極值Table 6 Extreme values of panel strain after earthquake

4 結論

本文基于考慮大壩—無限地基動力相互作用的彈塑性整體變形分析、局部滑移量分析，開展了強震作用下某瀝青混凝土面板堆石壩地震變形模式和極限抗震能力研究，主要結論包括：

（1）強震條件下瀝青混凝土面板堆石壩變形模式表現為：壩頂發生豎向沉降明顯、壩頂水平變形偏向下游、壩體上部輪廓整體向內收縮、下游壩腳發生輕微鼓脹、瀝青混凝土面板與上游壩坡變形整體協調。隨著加速度峰值逐漸增加，壩頂堆石體震陷變形亦逐步增大，但增加的程度呈逐級減小的趨勢。

（2）基于作者等人提出的面板堆石壩極限抗震能力評判指標，結合瀝青混凝土面板堆石壩受力特性，綜合基于壩頂震陷率、壩坡滑移量、面板拉應變3項指標確定了某瀝青混凝土面板堆石壩的極限抗震能力為0.80g～0.90g。同時計算表明，壩頂震陷率是瀝青混凝土面板壩極限抗震能力的主控指標。

（3）廣義彈塑性模型可以較好地描述筑壩材料強震時非線性特性，實現了靜、動力全過程統一分析，計算的大壩地震變形與實際震害規律一致，可為同類瀝青混凝土面板堆石壩變形模式及極限抗震能力評價研究提供參考。